高中物理选修3-4《光的干涉》教科版

第一节、光的干预第五章光的波动性一、光

是什么—17世纪的两种学说牛顿的微粒说惠更斯的波动说对光本性的认识，人类经历了十分漫长的过程，牛顿认识光是一种粒子流，与牛顿同时代的惠更斯那么认为光是波，他开创了光的波动论。第一个问题光到底是什么？17世纪形成了两种学说：*微粒说------认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播。代表人物：牛顿〔英国〕能解释-----光的直进现象、光的反射；不能解释-----同时发生反射和折射、几束光相遇而互不干扰。波动说------认为光是在空间传播的某种波。代表人物：惠更斯〔荷兰〕能解释-----同时发生反射和折射、几束光相遇而互不干扰；不能解释-----光的直进现象。由于早期的波动说不能用数学作严格的表达和分析、牛顿在物理界的威望，微粒说一直占上风。*19世纪初，在实验中观察到光的干预和衍射现象，不能用微粒说解释，因而证明了波动说的正确性。是什么波？19世纪60年代性，麦克斯韦预言电磁波存在，光也是一种电磁波，赫兹实验证实这种学说。波动说得到了公认。*19世纪末，发现了新现象----光电效应，用波动说无法解释。爱因斯坦于20世纪初提出光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应。这儿的粒子不同于牛顿所说的微粒。光到底是什么？*现在人们认识到：光既具有波动性，又具有粒子性。本章介绍光的波动性，下章要介绍光的量子性。干预、衍射是波特有的现象！•假设你认为光是波，准备通过哪些物理现象来证明呢？假设光真的是一种波我们必然能看到波特有的现象1801年，英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功的观察到了光的干预现象．对光本性的认识，人类经历了十分漫长的过程，牛顿认识光是一种粒子流，与牛顿同时代的惠更斯那么认为光是波，他开创了光的波动论。用一束平行的红色激光束照射有两条狭缝〔也称双缝〕S1和S2的档板〔S1和S2相距0.1m〕，观察挡板后面与档板平行的屏幕上所出现的条纹。观察思考？二、双缝干预单色光屏S1S2双缝1、相干光的获得

双缝的作用：相当于两个振动情况完全相同的光源，双孔的作用是获得相干光源单色激光束屏等间距2、双缝干预图样特征图样有何特征？S1S2亮条纹的中心线亮条纹的中心线暗条纹的中心线暗条纹的中心线双缝中央亮条纹明暗相间单色光双缝干预图样条纹的特点：〔1〕明暗相间〔2〕条纹等宽等距〔3〕两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹---中央亮纹亮条纹亮条纹λ3、出现明暗相间条纹的条件S1S2亮条纹出现亮条纹的条件〔n=0，1，2，3…〕暗条纹探究2：出现明暗相间条纹的条件S1S2λ/2亮条纹暗条纹出现亮条纹和暗条纹的条件〔n=0，1，2，3…〕〔n=0，1，2，3…〕双缝S1S2屏幕P1第一亮纹△s

=λP

中央亮纹△s

=0P2第二亮纹△s

=2λP3/

第三亮纹△s

=3λP3第三亮纹△s

=3λP3/

第二亮纹△s

=2λP3/

第一亮纹△s

=λQ2第二暗纹Q

1

第一暗纹Q3第三暗纹Q3/

第三暗纹Q2/

第二暗纹Q1/

第一暗纹△s=5λ/2△s

=λ/2△s

=3λ/2△s

=5λ/2△s

=3λ/2△s

=λ/2光的干预双缝干预激光束双缝屏屏上看到明暗相间的条纹结论:光是一种波4、干预条纹的间距与哪些因素有关?〔1〕、什么是干预条纹的间距?双缝S1S2屏幕△x△x

★条纹间距的含义：亮纹或暗纹之间的距离总是相等的，相邻亮纹和亮纹之间的距离或相邻暗纹和暗纹之间的距离叫做条纹间距。

★我们所说的亮纹是指最亮的地方，暗纹是最暗的地方，从最亮到最暗有一个过渡，条纹间距实际上是最亮和最亮或最暗和最暗之间的距离。

观察思考？〔1〕、改变光屏到双缝的距离L，观察干预条纹的间距有何变化？〔2〕、改变双缝的间距d，观察干预条纹的间距有何变化？〔3〕、分别用红光和紫光照射双缝，观察干预条纹的间距有什么不同？想一想，双缝干部涉条纹的间距可能与哪些因素有关？白光＋干预图样分析红光蓝光亮暗相间彩色条纹…………结论：(1)、改变光屏到双缝的距离L，观察干预条纹的间距有何变化？(2)、改变双缝的间距d，观察干预条纹的间距有何变化？(3)、分别用红光和紫光照射双缝，观察干预条纹的间距有什么不同？想一想，双缝干部涉条纹的间距可能与哪些因素有关？随双缝的间距d增大而减小随光屏到双缝的距离L增大而增大红光波长长干预条纹的间距大用一根吸管蘸一点肥皂溶液，可以吹出一串肥皂泡，每个肥皂泡都呈现出五颜六色，你能解释这个现象吗？三、薄膜干预产生原因是当肥皂膜竖直放置，由于重力作用，膜上薄下厚。光照射到肥皂膜上，经前后膜两次反射，又叠加在一起，后膜反射光的路程比前膜反射多2倍膜厚。假设膜厚度2倍等于波长整数倍，两列光波加强，呈现明纹。假设某种膜厚度2倍等于半个波长奇数倍，此处两处两列波互相减弱，出现暗纹。膜厚度变化是连续的，就了现明暗相间条纹。1、薄膜干预：产生原因2、光的干预现象在技术中的应用〔1〕、用干预法检查各种镜面的平整程度。如果被测平面是平的，干预条纹就是一组平行的。如果干预条纹发生弯曲，就说明被测外表不平的。精度可达10-5cm同一干预条纹处的空气层厚度相同同一干预条纹处的空气层厚度相同〔2〕、增透膜〔2〕、增透膜原理：当薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的１∕４时，在薄膜的两个面上的反射光，光程差恰好等于半波长，因而相互抵消，到达减小反射光，增大透射光的作用思考：增透膜能否将所有反射光都抵消思考：那么，怎样来确定增透膜的厚度？

因为人的视觉最敏感的色光为绿光，所以增透膜的厚度为绿光在增透膜中波长的1/4。以增大绿光的透射强度。因为红光与紫光反射强度大，所以照相机的镜头常呈淡紫色或蓝色照相机和望远镜【例1】关于光的干预，以下说法正确的选项是A.只有频率相同的两列光波才能产生干预B.频率不同的两列光波也能产生干预现象，只是不稳定C.两个完全相同的相干光源做双缝干预实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹D.两个完全相同的相干光源做双缝干预实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的奇数倍时出现暗条纹A、C【标准解答】选A、C.两列波产生干预时，频率必须相同，否那么不可能产生干预现象，而不是干预不稳定，故A正确、B错.两个完全相同的相干光源做双缝干预实验时，从两个狭缝到达屏上的路程差是光波长的整数倍时出现亮条纹；假设该路程差是光半波长的奇数倍时出现暗条纹〔注意是半波长而不是波长〕，故C正确、D错.【变式训练】〔2010·南京高二检测〕以下关于双缝干预实验的说法中正确的选项是()A.单缝的作用是获得频率保持不变的相干光源B.双缝的作用是获得两个振动情况相同的相干光源C.光屏上距两缝的路程差等于半波长的整数倍处出现暗条纹D.在光屏上能看到光的干预图样，但在双缝与光屏之间的空间却没有干预发生B【解析】选B.在双缝干预实验中，单缝的作用是获得一个线光源，使光源有惟一的频率和振动情况，双缝的作用是获得两个振动情况完全相同的相干光源，应选项A错误、B正确.在两个相干光源完全相同的情况下，光屏上距两缝的路程差为半波长的奇数倍处出现暗纹，选项C错误.两列光波只要相遇就会叠加，满足相干条件就能发生干预，所以在双缝与光屏之间的空间也会发生光的干预，用光屏接收只是为了肉眼观察的方便，应选项D错误.【例2】〔2010·福州高二检测〕关于杨氏双缝干预实验，以下说法正确的选项是〔〕A.用白光作为光源，屏上将呈现黑白相间的条纹B.用红光作为光源，屏上将呈现红黑相间的条纹C.用红光照射一条狭缝，用紫光照射另一条狭缝，屏上将呈现彩色条纹D.照射单缝的单色光的波长越短，光屏上出现的条纹宽度越宽B【自主解答】选B.用白光做杨氏双缝干预实验，屏上将呈现彩色条纹，故A错.用红光作光源，屏上将呈现红色亮条纹与暗条纹〔即黑条纹〕相间，故B正确.红光和紫光频率不同，不能产生干预条纹，故C错.单色光的波长越短，光屏上出现的条纹越窄，故D错.【典例2】在双缝干预实验中，双缝到光屏上P点的距离之差为0.6μm,假设分别用频率为f1=5.0×1014Hz和f2=7.5×1014Hz的单色光垂直照射双缝，那么P点出现明、暗条纹的情况是A.单色光f1和f2分别照射时，均出现明条纹B.单色光f1和f2分别照射时，均出现暗条纹C.单色光f1照射时出现明条纹，单色光f2照射时出现暗条纹D.单色光f1照射时出现暗条纹，单色光f2照射时出现明条纹【自主解答】选C.单色光f1的波长λ1==m=0.6×10-6m=0.6μm，单色光f2的波长λ2=m=0.4×10-6m=0.4μm，因P点到双缝的距离之差Δx=0.6μm=λ1,所以用f1照射时P点出现亮条纹.Δx=0.6μm=λ2,所以用f2照射时P点出现暗条纹，故选项C正确.【思路点拨】判断屏上某点是亮条纹还是暗条纹，要看该点到两个光源(双缝)的路程差与波长的比值.【例3】关于光在竖直肥皂液薄膜上产生的干预现象，以下说法中正确的选项是〔〕A.干预条纹的产生是由于光在薄膜前后两外表发生反射，形成的两列光波叠加的结果B.假设出现明暗相间的条纹相互平行，说明肥皂膜的厚度是均匀的C.用绿色光照射薄膜产生的干预条纹间距比黄光照射间距小D.薄膜上的干预条纹根本上是竖直的A、C【标准解答】选A、C.要想产生干预现象，必须有两列相干光源.在肥皂膜干预中，薄膜前后两外表反射的光正好是两个相干光源，它们相互叠加形成干预条纹，所以选项A正确.肥皂膜在重力作用下，上面薄、下面厚，厚度是不均匀的，并且厚度均匀的薄膜是不会出现干预条纹的〔假设厚度相同，路程差处处相等，两列波叠加后，假设是加强，处处光线加强，假设是减弱，处处光线减弱，不会出现明暗相间条纹〕，所以选项B错误.波长越短的光波，对同一装置，干预条纹越窄.绿光的波长小于黄光的波长，所以绿色光照射薄膜产生的干预条纹间距比黄光照射的间距小.选项C正确.出现亮、暗条纹的位置与薄膜厚度有关，对于某位置，假设光线叠加后加强，那么与此等厚度的位置反射光线叠加都加强，从而形成亮条纹.对暗条纹也是一样道理.由于薄膜同一水平线上的厚度相同，因此干预条纹根本上是水平的，所以选项D错误.应选A、C.【典例2】如下图,劈尖干预是一种薄膜干预,其装置如图(a)所示.将一块平板玻璃放置在另一块平板玻璃之上,在一端夹入两张纸片,从而在两玻璃外表之间形成一个劈形空气薄膜.当光垂直入射后,从上往下看到的干预条纹如图(b)所示.现假设在图(a)装置中抽去一张纸片,那么当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后,从上往下观察到的干预条纹〔〕A.变疏